2、机器人的组成结构

1、2、机器人的组成结构 一、机器器人系统统的组成成如图所示示，机器器人由机机械部分分、传感感部分、控制部部分三大大部分组组成这这三大部部分可分分成驱动动系统、机械结结构系统统、感受受系统、机器人人一环境境交互系系统、人人机交互互系统、控制系系统六个个子系统统驱动系统统要使机器器人运行行起来，需给各个个关节即即每个运运动自由由度安置置传动装装置，这就是是驱动系系统感受系统统它由内部部传感器器模块和和外部传传感器模模块组成成,获取取内部和和外部环环境状态态中有意意义的信信息智智能传感感器的使使用提高高了机器器人的机机动性、适应性性和智能能化的水水准人人类的感感受系统统对感知知外部世世界信息息是极其其

2、灵巧的的，然而而，对于于一些特特殊的信信息，传传感器比比人类的的感受系系统更有有效机器人一一环境交交互系统统机器人一一环境交交互系统统是实现现机器人人与外部部环境中中的设备备相互联联系和协协调的系系统机机器人与与外部设设备集成成为一个个功能单单元，如如加工制制造单元元、焊接接单元、装配单单元等人一机交交互系统统人一机交交互系统统是人与与机器人人进行联联系和参参与机器器人控制制的装置置 ：指指令给定定装置和和信息显显示装置置控制系统统控制系统统的任务务是根据据机器人人的作业业指令程程序以及及从传感感器反馈馈回来的的信号，支配机机器人的的执行机机构去完完成规定定的运动动和功能能如果果机器人人不具备

3、备信息反反馈特征征，则为为开环控控制系统统；具备备信息反反馈特征征，则为为闭环控控制系统统根据据控制原原理可分分为程序序控制系系统，适适应性控控制系统统和人工工智能控控制系统统根据据控制运运动的形形式可分分为点位位控制和和连续轨轨迹控制制操作机器器人本体体的结构构形式机 器 人本体执行机构驱动装置控制系统感知系统手部（操作器）腕部臂部腰部电驱动装置液压驱动装置气压驱动装置处理器关节伺服控制器内部传感器外部传感器 基 座（固定或移动）传动装置6手部腕部小臂（上上臂）大臂（下臂）腰部基 座控制柜示教盒相关术语语及性能能指标关节（Joint）：即运动动副，允允许机器器人手臂臂各零件件之间发发生相对对

4、运动的的机构。连杆（Link）：机器人手手臂上被被相邻两两关节分分开的部部分。自由度（Degreeoffreedom） ：或或者称坐坐标轴数数，是指指描述物物体运动动所需要要的独立立坐标数数。手指指的开、合，以以及手指指关节的的自由度度一般不不包括在在内。刚度（Stiffness）：机身或臂臂部在外外力作用用下抵抗抗变形的的能力。它是用外外力和在在外力作作用方向向上的变变形量（位移）之比来来度量。定位精度度（Positioningaccuracy）：指机器人人末端参参考点实实际到达达的位置置与所需需要到达达的理想想位置之之间的差差距。重复性（Repeatability）或重复精精度：在在相同同

5、的位置置指令下下，机器器人连续续重复若若干次其其位置的的分散情情况。它它是衡量量一列误误差值的的密集程程度，即即重复度度。oo工作空间间（Working space）：机器人手手腕参考考点或末末端操作作器安装装点（不不包括末末端操作作器）所所能到达达的所有有空间区区域，一一般不包包括末端端操作器器本身所所能到达达的区域域。二、工业业机器人人的机械械结构工业机器器人的机机械本体体类似于于具备上上肢机能能的机械械手，由手部部、腕部部、臂、机身(有的包包括行走走机构)组成。2.1机械手的的操作动动作机械手的的动作形形态是由由三种不不同的单单动作旋转转、回转转、伸缩缩组合而而成的。旋转和回回转是指指运

6、动机机构产生生相对运运动。旋转是转转动部件件的轴线线和转动动轴同轴轴；回转是转转动部件件的轴线线与转动动轴不同同轴。伸缩是指指运动机机构产生生直线运运动。2.2机械手的的坐标形形式和自自由度（1）根根据单元元动作组组合方式式的不同同，机械械手的动动作形态态一般归归纳为以以下四种种坐标类类型：直角坐坐标型(图722)；圆柱坐坐标型(图723)；极坐标标型(图图724)；多多关节型型(图725)。直角坐标标型机械械手可以在三三个互相相垂直的的方向上上作直线线伸缩运运动，这这类机械械手各个个方向的的运动是是独立的的，计算算和控制制比较方方便，但但占地面面积大，限于特特定的应应用场合合圆柱坐标标型机械

7、械手有一个围围绕基座座轴的旋旋转运动动和两个个在相互互垂直方方向上的的直线伸伸缩运动动。它适适用于采采用油压压(或气气压)驱驱动机构构，在操操作对象象位于机机器人四四周的情情况下，操作最最为方便便。极坐标型型机械手手的动作形形态包括括围绕基基座轴的的旋转，一个回回转和一一个直线线伸缩运运动，其其特点类类似于圆圆柱型机机械手。多关节型型机械手手最接近于于人臂的的构造。它主要要由多个个回转或或旋转关关节所组组成，一一般都采采用电机机驱动机机构。运运用不同同的关节节连接方方式，可可以完成成各种复复杂的操操作。由由于具有有占地面面积小，动作范范围大，空间移移动速度度快而灵灵活等特特点，多多关节型型机械

8、手手在各种种智能机机器人中中被广为为采用。SCARA机器人关关节节式机器器人2.3.机身、臂臂部和手手部机构构机身是直直接联接接、支承承和传动动手臂及及行走机机构的部部件。它它是由臂臂部运动动(升降、平平移、回回转和俯俯仰)机构及有有关的导导向装置置、支撑撑件等组组成。由由于机器器人的运运动型式式、使用用条件、负载能能力各不不相同，所采用用的驱动动装置、传动机机构、导导向装置置也不同同，致使使机身结结构有很很大差异异。一般情况况下，实实现臂部部的升降降、回转转或或俯俯仰等运运动的驱驱动装置置或传动动件都安安装在机机身上。臂部的的运动愈愈多，机机身的结结构和受受力愈复复杂。机机身既可可以是固固定

9、式的的，也可可以是行行走式的的，即在在它的下下部装有有能行走走的机构构，可沿沿地面或或架空轨轨道运行行。机身身结构常用的机机身结构构：）升降降回转型型机身结结构）俯仰仰型机身身结构）直移移型机身身结构）类人人机器人人机身结结构臂部部结构手臂部件件(简称臂部部)是机器人人的主要要执行部部件，它它的作用用是支撑撑腕部和和手部，并带动动它们在在空间运运动。机机器人的的臂部主主要包括括臂杆以以及与其其伸缩、屈伸或或自转等等运动有有关的构构件，如如传动机机构、驱驱动装置置、导向向定位装装置、支支撑联接接和位置置检测元元件等。此外，还有与与腕部或或手臂的的运动和和联接支支撑等有有关的构构件、配配管配线线等

10、。根据臂部部的运动动和布局局、驱动动方式、传动和和导向装装置的不不同可分分为：）伸缩缩型臂部部结构）转动动伸缩型型臂部结结构）驱伸伸型臂部部结构）其他他专用的的机械传传动臂部部结构机身身和臂部部的配置置形式机身和臂臂部的配配置形式式基本上上反映了了机器人人的总体体布局。由于机机器人的的运动要要求、工工作对象象、作业业环境和和场地等等因素的的不同，出现了了各种不不同的配配置形式式。目前前常用的的有如下下几种形形式：（）横横梁式（）立立柱式（）机机座式（）驱驱伸式横梁式：机身设计计成横梁梁式，用用于悬挂挂手臂部部件，这这类机器器人的运运动形式式大多为为移动式式。它具具有占地地面积小小，能有有效利用

11、用空间，直观等等优点。横梁可可设计成成固定的的或行走走的，一一般横梁梁安装在在厂房原原有建筑筑的柱梁梁或有关关设备上上，也可可从地面面架设。立柱式：立柱式机机器人多多采用回回转型、俯仰型型或屈伸伸型的运运动型式式，是一一种常见见的配置置形式。一般臂臂部都可可在水平平面内回回转，具具有占地地面积小小而工作作范围大大的特点点。立柱柱可固定定安装在在空地上上，也可可以固定定在床身身上。立立主式结结构简单单，服务务于某种种主机，承担上上、下料料或转运运等工作作。机座式：机身设计计成机座座式，这这种机器器人可以以是独立立的、自自成系统统的完整整装置，可以随随意安放放和搬动动。也可可以具有有行走机机构，如

12、如沿地面面上的专专用轨道道移动，以扩大大其活动动范围。各种运运动形式式均可设设计成机机座式。屈伸式：屈伸式机机器人的的臂部由由大小臂臂组成，大小臂臂间有相相对运动动，称为为屈伸臂臂。屈伸伸臂与机机身间的的配置形形式关系系到机器器人的运运动轨迹迹，可以以实现平平面运动动，也可可以作空空间运动动。（图见下页页）4、手腕结结构手腕是联接手手臂和手手部的结结构部件件，它的的主要作作用是确确定手部部的作业业方向。因此它它具有独独立的自自由度，以满足足机器人人手部完完成复杂杂的姿态态。要确定手手部的作作业方向向，一般般需要三三个自由由度，这这三个回回转方向向为：）臂转转绕小小臂轴线线方向的的旋转。）手转转

13、使手手部绕自自身的轴轴线方向向旋转。）腕摆摆使手手部相对对于臂进进行摆动动。手腕结构构多为上上述三个个回转方方式的组组合，组组合的方方式可以以有多种种形式如如下图所所示：腕部结构构的设计计要满足足传动灵灵活、结结构紧凑凑轻巧、避免干干涉。机机器人多多数将腕腕部结构构的驱动动部分安安排在小小臂上。首先设设法使几几个电动动机的运运动传递递到同轴轴旋转的的心轴和和多层套套筒上去去。运动动传入腕腕部后再再分别实实现各个个动作。柔顺手腕腕在用机器器人进行行精密装装配作业业中，当当被装配配零件的的不一致致、工件件的定位位夹具、机器人人的定位位精度不不能满足足装配要要求时，会导致致装配困困难。这这就提出出了

14、柔顺顺性要求求。柔顺装配配技术有有两种：一种是是从检测测、控制制的角度度，采取取各种不不同的搜搜索方法法，实现现边校正正边装配配。一种是从从机械结结构的角角度在手手腕部配配置一个个柔顺环环节，以以满足柔柔顺装配配的要求求。5、手部机机构机器人的的手部是是是最重重要的执执行机构构。机器人手手部是机机器人为为了进行行作业，在手腕腕上配置置的操作作机构。因此有有时也称称为末端端操作器器。由于机器器人作业业内容的的差异（如搬运运、装配配、焊接接、喷涂涂等）和和作业对对象的不不同（如如轴类、板类、箱类、包类物物体等），手手部的的形式多多样。综合考虑虑手部的的用途、功能和和结构持持点，大大致可分分成以下下

15、几类：1卡爪式式夹持器器；2吸附式式取料手手；3专用操操作器及及换接器器4仿生多多指灵巧巧手。34卡爪式夹夹持器通常有两两个夹爪爪，分为为回转型型和平移移型两种种类型。卡爪式夹夹持器几种弹力力抓手1）弹力夹夹持器352） 回转转型夹持持器开合占用用空间较小夹持中心心变化363）平移型型夹持器器开合占用用空间较大夹持中心心保持不变1.滑槽杠杆杆式手部部2.齿轮齿条式手部3.滑块杠杆式手部4.斜楔杠杆式5.移动型连杆式手部6.齿轮齿条式手部7.内涨斜块式手部8.连杆杠杆式手部手指类型型：41吸式取料料手是目目前应用用较多的的一种执执行器，特别是是用于搬搬运机器器人。该该类执行行器可分分气吸和和磁吸

16、两两类。吸附式取取料手气吸附取取料手是是利用吸吸盘内气气压与大大气压之之间的压压力差而而工作的。具具有结构构简单，重量轻轻，吸附附力分布布均匀等等优点。按形成压压力的方方法，可可分成真真空气吸吸、气流流负压气气吸、挤挤压排气气负压气气吸式儿儿种。1）气吸附附取料手手气流负压压气吸盘盘挤压排气气吸盘真空气吸吸盘422）磁吸附附取料手手43专用操作作器及换换接器44人手是最最灵巧的的夹持器器，如果果模拟人人手结构构，就能能制造出出结构最最优的夹夹持器。但由于于人手自自由度较较多（20个），驱驱动和控控制都十十分复杂杂，迄今今为止，只是制制造出了了一些原原理样机机，离工工业应用用还有一一定的差差距。

17、仿生多指指灵巧手手UTACHMIT多指手三指手双拇指手45最小的三三指手BHII三指手四指灵巧巧手灵巧的双双手DLR多指手哈工大多多指手46手指关节节的设计计手指主要要用于抓抓握动作作，要求求动作灵灵活，刚刚度好，具有较较大的抓抓握力。就其手手的结构构而言，传动机机构有三三种方式式：1)腱传动，特点是是结构简简单，节节省空间间，具有有很高的的抗拉强强度和很很轻的重重量，但但刚性差差，较大大的弹性性，不利利于控制制。MIT手、JPL手和DLR-I手都是这这种方式式。2)齿轮传动动，特点点是传动动比可靠靠，但是是摩擦较较大，有有回程间间隙，占占用空间间大。3)连杆传动动，刚度度好，加加工制造造比较

18、简简单，高高精度，能较好好的实现现多种运运动规律律和运动动轨迹的的要求。但是设设计复杂杂，不能能精确地地满足各各种运动动规律的的要求。典型的的如Belgrade手，NASA手等。4）欠驱动动手指关关节1）车轮型型5、移动机机器人两轮型三轮型四轮型2）履履带式救援机器人3）步行行式（足式行行走）履带式行行走机构构虽然可在在高低不不平的地地面上运运动，但但它的适适应性不不够，行行走时候候晃动太太大，在在软地面面上行驶驶运动效效率低。根据调调查，在在地球上上近一半半的地面面不适合合于传统统的轮式式或履带带式车辆辆行走。但是一一般多足足动物却却能在这这些地方方行动自自如，显显然足式式与轮式式和履带带式

19、行走走方式相相比具有有独特的的优势。足式行走走对崎岖路路面具有有很好的的适应能能力一，足式运运动方式式的立足足点是离离散的点点，可以以在可能能到达的的地面上上选择最最优的支支撑点，而轮式式和履带带行走工工具必须须面临最最坏的地地形上的的几乎所所有点；足式运运动方式式还具有有主动隔隔振能力力，尽管管地面高高低不平平，机身身的运动动仍然可可以相当当平稳；足式行行走在不不平地面面和松软软地面上上的运动动速度较较高，能能耗较少少。（）足足的数目目现有的步步行机器器人的足足数分别别为单足足、双足足、三足足、四足足、六足足、八足足甚至更更多。足足的数目目多，适适合于重重载和慢慢速运动动。双足足和四足足具有

20、最最好的适适应性和和灵活性性，也最最接近人人类和动动物。下页图显示了单单足、双双足、三三足、四四足和六六足行走走结构。（）足足的配置置足的配置置指足相相对于机机体的位位置和方方位的安安排，这这个问题题对于多多于两足足时尤为为重要。就二足足而言，足的配配置或者者是一左左一右，或者是是一前一一后。后后一种配配置因容容易引起起腿间的的干涉而而实际上上很少用用到。几何构型型弯曲方向向（）足足式行走走机构的的平衡和和稳定性性静态稳定定的多足足机其机身的的稳定通通过足够够数量的的足支撑撑来保证证。在行行走过程程中，机机身重心心的垂直直投影始始终落在在支撑足足着落地地点的垂垂直投影影所形成成的凸多多边形内内

21、。这样样，即使使在运动动中的某某一瞬时时将运动动“凝固固”，机机体也不不会有倾倾覆的危危险。这这类行走走机构的的速度较较慢，它它的步态态为爬行行或步行行。动态稳定定典型的例例子是踩踩高跷。高跷与与地面只只是单点点接触，两根高高跷在地地面不动动时站稳稳是非常常困难的的，要想想原地停停留，必必须不断断踏步，不能总总是保持持步行中中的某种种瞬间姿姿态。在动态稳稳定中，机体重重心有时时不在支支撑图形形中，利利用这种种重心超超出面积积外而向向前产生生倾倒的的分力作作为行走走的动力力并不停停地调整整平衡点点以保证证不会跌跌倒。这这类机构构一般运运动速度度较快，消耗能能量小。其步态态可以是是小跑和和跳跃。4

22、）其它它移动方方式军用昆虫机器人爬缆索机器人水下6000米无缆自治机器人蛇形机器人三、机器器人的驱驱动系统统3.1关节直接接驱动方方式直接驱动动方式是是驱动器器的输出出轴和机机器人手手臂的关关节轴直直接相连连间接驱动动方式是是驱动器器经过减减速器或或钢丝绳绳、皮带带、平行行连杆等等装置后后与关节节轴相连连(1)关关节间接接驱动方方式的缺缺点大大部部分机器器人的关关节是间间接驱动动这种种间接驱驱动，通通常其驱驱动器的的输出力力矩大大大小于驱驱动关节节所需要要的力矩矩，所以以必须使使用减速速器另另外，由由于手臂臂通常采采用悬臂臂梁结构构，所以以多自由由度机器器人关节节上安装装减速器器会使手手臂根部

23、部关节驱驱动器的的负荷增增大目前中小小型机器器人一般般采用普普通的直直流伺服服电机、交流伺伺服电机机或步进进电机作作为机器器人的执执行电机机由于于电机速速度较高高，所以以需配以以大速比比减速装装置，进进行间接接传动但是，间接驱驱动带来来了机械械传动中中不可避避免的误误差，引引起冲击击振动，影响机机器人系系统的可可靠性，并且增增加关节节重量和和尺寸(2)关关节直接接驱动方方式直接驱动动机器人人也叫作作DD机器人(Directdriverobot)，简称DDRDD机器人一一般指驱驱动电机机通过机机械接口口直接与与关节连连接DD机器人的的特点是是驱动电电机和关关节之间间没有速速度和转转矩的转转换 D

24、D机器人与与间接驱驱动机器器人相比比，有如如下优点点：机机械传动动精度高高振振动小，结构刚刚度好机械械传动损损耗小结构构紧凑，可靠性性高电机机峰值转转矩大，电气时时间常数数小，短短时间内内可以产产生很大大转矩，响应速速度快，调速范范围宽控制制性能较较好日本、美美国等工工业发达达国家已已经开发发出性能能优异的的DD机器人美国Adept公司研制制出带有有视觉功功能的四四自由度度平面关关节型DD机器人日本大大日机工工公司研研制成功功了五自自由度关关节型DD一600V机器人其性能能指标为为：最大大工作范范围12m，可搬重量量5kg，最大运动动速度82ms，重复定位位精度005mmDD机器人目目前主要要

25、存在的的问题载荷荷变化、耦合转转矩及非非线性转转矩对驱驱动及控控制影响响显著，使控制制系统设设计困难难和复杂杂对位置置、速度度的传感感元件提提出了相相当高的的要求需开发小小型实用用的DD电机电机机成本高高3.2驱动元件件(1)液液(气)压压驱动液(气)压缸液(气)压马达达(2)步步进电动动机驱动动在小的机机器人上上，有时时也用步步进电机机作为主主驱动电电机。可可以用编编码器或或电位器器提供精精确的位位置反馈馈，所以以步进电电机也可可用于闭闭环控制制步进电机机是通过过脉冲电电流实现现步进的的，因此此每给一一个脉冲冲转子便便转动一一个步距距。在精度度要求不不高的情情况下，没有必必要加入入位置反反馈(3)直直流电动动机驱动动直流电动动机与步步进电动动机是工工业机器器人中应应用最广广泛的两两种电动动机，但但